JP2019009414A - 積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】変位性能の高い積層圧電素子を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る積層圧電素子は、積層圧電体と、複数の内部電極とを具備する。上記積層圧電体は、第１軸方向に対向する一対の主面と、上記第１軸方向に直交し長手方向である第２軸方向に対向する一対の端面と、上記第１軸方向及び上記第２軸方向に直交する第３軸方向に対向する一対の側面とを有する。上記複数の内部電極は、上記積層圧電体の内部に配置され、上記第１軸方向に積層される。上記複数の内部電極のうち、上記積層圧電体の中央部に配置された中央内部電極の上記第３軸方向から見た第１断面は、上記中央内部電極の上記第２軸方向から見た第２断面よりも大きな起伏を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電体と電極が交互に積層された積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器に関する。

圧電体が内部電極と交互に多数積層され、これらの内部電極と接続された端面電極（外部電極）を有する積層圧電素子が知られている（特許文献１参照）。積層圧電素子は、外部電極及び内部電極を介して複数の圧電体に電圧が印加されることで、圧電逆効果により伸縮する。このような積層圧電素子は、小型で大きな変位が得られるため、大きな発生力や高速応答性が要求されるアクチュエータ部品に広く用いられている。

積層圧電素子が採り得る振動モードとして、厚み方向（積層方向）に伸縮する圧電定数がｄ３３の振動モードと、内部電極面に沿った方向に伸縮する圧電定数がｄ３１の振動モードとが知られている。積層圧電素子は、その形状等を制御することで振動モードを制御することができる。例えば、積層圧電素子において内部電極面に沿った方向を長手方向とすることで、ｄ３１の振動モードを優位にすることができる。

特開２０１６−１００７６０号公報 国際公開２０１６／０５２５８２号明細書

積層圧電素子は、上述のように圧電体として機能しない複数の電極を有する。したがって、変位性能を向上させるためには、振動モードに応じた最適な構造設計が求められる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、変位性能の高い積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る積層圧電素子は、積層圧電体と、複数の内部電極とを具備する。
上記積層圧電体は、第１軸方向に対向する一対の主面と、上記第１軸方向に直交し長手方向である第２軸方向に対向する一対の端面と、上記第１軸方向及び上記第２軸方向に直交する第３軸方向に対向する一対の側面とを有する。
上記複数の内部電極は、上記積層圧電体の内部に配置され、上記第１軸方向に積層される。
上記複数の内部電極のうち、上記積層圧電体の中央部に配置された中央内部電極の上記第３軸方向から見た第１断面は、上記中央内部電極の上記第２軸方向から見た第２断面よりも大きな起伏を有する。

上記構成によれば、中央部に配置された内部電極の長手方向に沿った起伏が大きいことから、長手方向に沿った変位性能を向上させることができる。

具体的には、上記第１断面の上記第１軸方向における中央に沿って走行し上記第２軸方向に１００μｍの長さを有する第１走行線と、上記第１走行線の端点間を結ぶ第１基準線との上記第１軸方向における最大乖離寸法は、上記第２断面の上記第１軸方向における中央に沿って走行し上記第３軸方向に１００μｍの長さを有する第２走行線と、上記第２走行線の端点間を結ぶ第２基準線との上記第１軸方向における最大乖離寸法よりも大きくてもよい。

このように、中央に配置された内部電極は、長手方向に沿って微小な起伏を有する構成とすることができる。

例えば、上記第１走行線と上記第１基準線との最大乖離寸法は、２μｍ以上であってもよい。

さらに、上記複数の内部電極のうち、上記積層圧電体の上記一対の主面のうちの一方の主面に最も近い位置に配置された周縁内部電極の上記第３軸方向から見た第３断面よりも、上記第１断面は大きな起伏を有していてもよい。

これにより、周縁に配置された内部電極よりも、中央に配置された内部電極の方が大きな起伏を有する構成とすることができる。

本発明の一形態に係る圧電振動装置は、上記積層圧電素子と、振動板と、接着層と、を具備する。
上記振動板は、上記積層圧電素子に対して上記第１軸方向に対向する。
上記接着層は、上記積層圧電素子と上記振動板との間に配置されている。

本発明の一形態に係る電子機器は、上記積層圧電素子と、パネルと、筐体と、を具備する。
上記パネルは、上記積層圧電素子が上記第１軸方向に対向した状態で接着されている。
上記筐体は、上記パネルを保持する。

以上のように、本発明によれば、変位性能の高い積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る積層圧電素子の斜視図である。 上記積層圧電素子の図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。 上記積層圧電素子の図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。 図２の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。 図３の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。 電圧値に対する変位量の実験結果を示すグラフである。 上記積層圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。 上記積層圧電素子の製造過程を示す斜視図である。 上記積層圧電素子の製造過程を示す斜視図である。 上記実施形態の変形例に係る積層圧電素子の図２に対応する断面図である。 上記積層圧電素子の図３に対応する断面図である。 図１０の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。 図１０の他の部分の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。 上記積層圧電素子を用いた圧電振動装置の断面図である。 上記積層圧電素子を用いた電子機器の平面図である。 上記電子機器の図１５ＡのＣ−Ｃ'線に沿った断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図面には、適宜相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸方向は「第２軸方向」、Ｙ軸方向は「第３軸方向」、Ｚ軸方向は「第１軸方向」にそれぞれ対応する。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は全図において共通である。

［積層圧電素子の基本構成］
図１〜３は、本発明の一実施形態に係る積層圧電素子１０を示す図である。図１は、積層圧電素子１０の斜視図である。図２は、積層圧電素子１０の図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。図３は、積層圧電素子１０の図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。

積層圧電素子１０は、積層圧電体１１と、第１外部電極１４と、第２外部電極１５と、複数の第１内部電極１２と、複数の第２内部電極１３と、第１表面電極１６と、第２表面電極１７と、を備える。

積層圧電体１１は、後述するように、複数の圧電体層２０が積層されたものである。積層圧電体１１は、Ｘ軸方向を向いた２つの端面１１ａ，１１ｂと、Ｙ軸方向を向いた２つの側面１１ｃ，１１ｄと、Ｚ軸方向を向いた２つの主面１１ｅ，１１ｆと、を有する。典型的には、各面は略矩形に構成される。
積層圧電体１１は、Ｘ軸方向に沿って長手方向を有する。これにより、Ｘ軸方向に沿った伸縮が優位となり、ｄ３１の圧電定数を有する積層圧電素子１０を構成することができる。

なお、積層圧電体１１の形状は、図１〜３に示すような直方体形状でなくてもよい。例えば、積層圧電体１１の各面を接続する稜部は面取りされていてもよい。また、積層圧電体１１の各面は曲面であってもよく、積層圧電体１１は全体として丸みを帯びた形状であってもよい。

積層圧電体１１には、駆動電圧を供給するための複数の電極が配置される。積層圧電体１１の端面１１ａ，１１ｂには、外部電極１４，１５が配置される。積層圧電体１１の内部には、複数の内部電極１２，１３が配置され、主面１１ｅ，１１ｆには、それぞれ表面電極１６，１７が配置される。第１内部電極１２及び第１表面電極１６は、第１外部電極１４に接続され、第２内部電極１３及び第２表面電極１７は、第２外部電極１５に接続される。

積層圧電体１１は、圧電活性部１８と、サイドマージン部１９と、を有する。サイドマージン部１９は、圧電活性部１８のＹ軸方向を向いた両側面の全領域をそれぞれ覆っている。また、積層圧電体１１は、必要に応じて、圧電活性部１８とサイドマージン部１９とを接合するための接合部を有していてもよい。

圧電活性部１８は、複数の圧電体層２０を有し、これらの圧電体層２０と複数の内部電極１２、１３とがＺ軸方向に交互に積層された構成を有する。最外層の圧電体層２０上には、第１表面電極１６及び第２表面電極１７がそれぞれ配置される。
なお、積層圧電体１１のうち圧電活性を有する領域は、厳密にはＺ軸方向に隣り合う内部電極１２，１３及び表面電極１６，１７が対向する領域であるが、ここでは内部電極１２，１３及び表面電極１６，１７が引き出される端面１１ａ，１１ｂまでの領域を圧電活性部１８とする。

圧電体層２０は、圧電特性を有するセラミックスで形成される。このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を主成分とするペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）など主成分とする酸化物を用いることができる。

サイドマージン部１９は、内部電極１２，１３及び表面電極１６，１７を有さず、圧電活性を有さない領域である。サイドマージン部１９は、圧電活性部１８を保護し、内部電極１２，１３及び表面電極１６，１７の絶縁性を確保する機能を有する。サイドマージン部１９は、絶縁性セラミックスで形成されればよいが、圧電体層２０と同様の圧電特性を有するセラミックスを用いることにより、積層圧電体１１における内部応力を緩和することができる。

内部電極１２，１３は、Ｚ軸方向に積層された複数の圧電体層２０の間に、Ｚ軸方向に沿って交互に配置されている。第１内部電極１２は、第１外部電極１４に接続され、第２外部電極１５から離間している。第２内部電極１３は、第２外部電極１５に接続され、第１外部電極１４から離間している。これにより、Ｚ軸方向に隣り合う内部電極１２，１３が、これらの間の圧電体層２０に駆動電圧を印加できる。内部電極１２，１３は、例えば矩形状に形成される。
内部電極１２，１３は、圧電セラミックスとの反応性が低い銀（Ａｇ）や銀−パラジウム（Ｐｄ）を主成分とする導体、あるいは銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）などを含む導体で形成することができる。あるいは、これらの材料にセラミック成分やガラス成分を含有させてもよい。

表面電極１６，１７は、最外層の圧電体層２０上にそれぞれ配置され、第１表面電極１６は主面１１ｅ上、第２表面電極１７は主面１１ｆ上にそれぞれ配置される。第１表面電極１６は、第１外部電極１４に接続され、第２外部電極１５から離間している。第２表面電極１７は、第２外部電極１５に接続され、第１外部電極１４から離間している。
第１表面電極１６は、主面１１ｅに最も近い第２内部電極１３との間の圧電体層２０に駆動電圧を印加できる。第２表面電極１７は、主面１１ｆに最も近い第１内部電極１２との間の圧電体層２０に駆動電圧を印加できる。表面電極１６，１７と最外層の内部電極１２，１３との間の圧電体層２０は、一層でもよいし、複数層でもよい。
表面電極１６，１７により、積層圧電体１１の圧電活性領域を増やすことができ、積層圧電体１１全体を伸縮させることができる。
表面電極１６，１７は、内部電極１２，１３と同様の矩形状にそれぞれ形成されてもよいが、所定のパターンを有していてもよい。
表面電極１６，１７は、銀（Ａｇ）、銀にシリカ（Ｓｉ）を主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、ニッケル（Ｎｉ）などで形成することができる。

外部電極１４，１５は、積層圧電体１１の端面１１ａ，１１ｂを覆い、端面１１ａ，１１ｂに接続する４つの面（２つの側面１１ｃ，１１ｄ及び２つの主面１１ｅ，１１ｆ）に延出している。これにより、外部電極１４，１５のいずれにおいても、Ｘ−Ｚ平面に平行な断面及びＸ−Ｙ平面に平行な断面の形状がＵ字状となっている。なお、外部電極１４，１５は、端面１１ａ，１１ｂのみに形成されていてもよい。
外部電極１４，１５は、例えば、銀、銀にシリカを主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、ニッケルなどで構成される。

上記の構成により、積層圧電素子１０では、第１外部電極１４と第２外部電極１５との間に電圧が印加されると、第１内部電極１２と第２内部電極１３との間の複数の圧電体層２０に電圧が加わる。これにより、複数の圧電体層２０がＸ軸方向に伸縮する。さらに、表面電極１６，１７により最外層の圧電体層２０にも電圧が印加されることから、圧電活性部１８全体をＸ軸方向に伸縮させることができる。

なお、本実施形態に係る積層圧電素子１０の基本構成は、図１〜３に示す構成に限定されず、適宜変更可能である。例えば、内部電極１２，１３の枚数や圧電体層２０の厚さは、積層圧電素子１０に求められるサイズや性能に応じて、適宜決定可能である。

［内部電極の詳細構成］
積層圧電素子１０は、長手方向であるＸ軸方向に沿って内部電極１２，１３が複数の起伏を有することを特徴とする。
図２及び図３に示すように、内部電極１２，１３は、Ｘ軸方向と平行な断面で観察されＹ軸方向と平行な断面では観察されない複数の起伏を有する。ここで、複数の内部電極１２，１３のうち、積層圧電体１１の中央部に配置された内部電極を中央内部電極２１とし、中央内部電極２１を例に挙げて起伏の構成を説明する。
なお、中央内部電極２１は、第１内部電極１２及び第２内部電極１３のどちらであってもよい。

図２に示すように、中央内部電極２１のＹ軸方向から見た断面（すなわちＸ軸方向に平行でＹ軸方向に直交する断面）を第１断面２２とする。一方、図３に示すように、中央内部電極２１のＸ軸方向から見た断面（すなわちＹ軸方向に平行でＸ軸方向に直交する断面）を第２断面２３とする。これらの図に示すように、第１断面２２は、Ｚ軸方向に対して突出又は陥没する複数の起伏を有するが、第２断面２３は、ほぼ平坦に構成される。すなわち、第１断面２２は第２断面２３よりも大きな起伏を有する。このことから、中央内部電極２１の電極面には、Ｙ軸方向に沿った稜線を有しＸ軸方向に進行する波状の起伏が形成されていると言える。

このような起伏は、少なくとも中央内部電極２１が有していればよいが、図２に示すように全ての内部電極１２，１３が有していてもよい。あるいは、中央内部電極２１を含む１又は複数の内部電極１２，１３のみが有していてもよい。起伏の形状は、内部電極１２，１３間において略同一であってもよいし、異なっていてもよい。

中央内部電極２１の微視的な形状についてさらに説明する。
図４及び５は、いずれも走査型電子顕微鏡によって縦５０μｍ×横２５０μｍの視野で観察した積層圧電体１１の断面を示す図である。図４は、図２の拡大図に相当し、積層圧電体１１のＸ軸方向及びＺ軸方向における中央部のＹ軸方向に直交する断面を示す。図５は、図３の拡大図に相当し、積層圧電体１１のＹ軸方向及びＺ軸方向における中央部のＸ軸方向に直交する断面を示す。図４及び図５には、いずれも中央内部電極２１が示されており、図４には第１断面２２の一部が、図５には第２断面２３の一部が、それぞれ示されている。

図４に示すように、第１断面２２のＺ軸方向の中央に沿って走行しＸ軸方向に１００μｍ（Ｌ）の長さを有する仮想的な線を、第１走行線２２ａと規定する。また、第１走行線２２ａの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第１基準線２２ｂと規定する。第１断面２２では、第１基準線２２ｂに対して第１走行線２２ａがＺ軸方向に乖離している。第１走行線２２ａの第１基準線２２ｂに対するＺ軸方向に沿った最大乖離寸法Ｔ１は、例えば２μｍ以上である。

一方、図５に示すように、第１断面２２と同様に第２断面２３に対しても走行線、基準線を規定する。すなわち、第２断面２３のＺ軸方向の中央に沿って走行しＹ軸方向に１００μｍ（Ｌ）の長さを有する仮想的な線を、第２走行線２３ａと規定する。また、第２走行線２３ａの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第２基準線２３ｂと規定する。同図に示すように、第２断面２３では、第１基準線２２ｂに対して第１走行線２２ａがＺ軸方向にほぼ乖離しておらず、第２走行線２３ａの第２基準線２３ｂに対するＺ軸方向に沿った最大乖離寸法Ｔ２は、約０μｍである。つまり、最大乖離寸法Ｔ１は、最大乖離寸法Ｔ２よりも大きい。

このように、中央内部電極２１は、第１断面２２において観察され第２断面２３では観察されない微小な複数の起伏を有している。実験により、上記構成の積層圧電体１１に電圧が印加された場合、Ｘ軸方向の変位量が高まることが明らかになった。以下、当該実験結果について説明する。

図６は、積層圧電素子の外部電極に印加する電圧値と変位量との関係を示すグラフであり、横軸が電圧値［Ｖ］、縦軸がＸ軸方向の変位量［ｎｍ］を示す。また、実線は、中央内部電極２１が起伏を有する本実施形態の実施例に係る圧電積層素子の結果を示す。破線は、全体的に平坦な内部電極を有する本実施形態の比較例に係る圧電積層素子の結果を示す。

同図に示すように、実施例に係る圧電積層素子は、比較例に係る圧電積層素子と比較して、同一の電圧を印加した場合にＸ軸方向の変位量が約２０％高まることが確認された。この理由としてはいくつか考えられるが、一つは、起伏により内部電極１２，１３の表面積が大きくなり、同一の電圧を印加した際の駆動電流が高まることが挙げられる。また、電界分布の寄与や、内部電極による圧電体への拘束力の低下等、複数の要因があるとも考えられる。

［積層圧電素子１０の基本的な製造方法］
図７は、積層圧電素子１０の製造方法を示すフローチャートである。図８〜９は、積層圧電素子１０の製造過程を示す図である。以下、積層圧電素子１０の基本的な製造方法について、図７に沿って、図８〜９を適宜参照しながら説明する。

（ステップＳ０１：セラミックシート積層）
ステップＳ０１では、図８に示すように、積層圧電体１１を形成するための第１セラミックシート１０１、第２セラミックシート１０２、第３セラミックシート１０３及び第４セラミックシート１０４を積層し、セラミック積層体１０５を作製する。本ステップでは、第１セラミックシート１０１及び第２セラミックシート１０２がＺ軸方向に交互に積層され、この積層体の上下面にそれぞれ第３セラミックシート１０３及び第４セラミックシート１０４が積層される。なお、各セラミックシートの積層枚数は図８の例に限定されない。

セラミックシート１０１，１０２，１０３，１０４は、圧電セラミックスを主成分とする未焼成の圧電体グリーンシートとして構成される。圧電体グリーンシートは、圧電セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製し、例えば、ロールコーターやドクターブレードなどを用いてシート状に成形される。

図８に示すように、第１セラミックシート１０１には第１内部電極１２に対応する未焼成の第１内部電極１１２が形成され、第２セラミックシート１０２には第２内部電極１３に対応する未焼成の第２内部電極１１３が形成されている。また、第３セラミックシート１０３には、第１表面電極１６に対応する未焼成の第１表面電極１１４が形成される。第４セラミックシート１０４の一方の面には第１内部電極１２に対応する未焼成の第１内部電極１１２が形成され、他方の面には第２表面電極１７に対応する未焼成の第２表面電極１１５が形成される。

内部電極１１２，１１３及び表面電極１１４，１１５は、任意の導電性ペーストをセラミックシート１０１，１０２，１０３，１０４に塗布することによって形成することができる。導電性ペーストの塗布方法は、公知の技術から任意に選択可能であり、例えば、スクリーン印刷法やグラビア印刷法を用いることができる。

なお、セラミックシート１０３，１０４各々とセラミックシート１０１，１０２の積層構造との間に、導電性ペーストが塗布されていないセラミックシートを１又は複数枚配置することも可能である。これにより、表面電極１６，１７と内部電極１２，１３の間の圧電体層２０の厚みを調整することができる。なお、この場合、第４セラミックシート１０４には内部電極が形成されず、第２表面電極１１５のみが形成される。

（ステップＳ０２：圧着）
ステップＳ０２では、セラミック積層体１０５を圧着する。これによりセラミックシート１０１，１０２，１０３，１０４が一体化され、図９に示す未焼成の積層チップ１１１が形成される。積層チップ１１１は、焼成前かつ分極処理前の積層圧電体１１に相当する。セラミック積層体１０５の圧着には、例えば、一軸加圧や静水圧加圧などを用いることが好ましい。これにより、積層チップ１１１を高密度化することが可能である。

図９は、ステップＳ０２で得られる積層チップ１１１の斜視図である。積層チップ１１１には、圧電活性部１１６及びサイドマージン部１１７が形成されている。内部電極１１２，１１３の間にはセラミック層１１８が形成されており、最上面及び最下面にはそれぞれ表面電極１１４，１１５が形成されている。

なお、積層チップ１１１に対応する複数の領域が形成された積層シートを圧着後切断し、積層チップ１１１を個片化してもよい。この場合、積層シートを構成するセラミックシートは、複数の内部電極及び表面電極に対応する電極パターンを有している。これにより、一つの積層シートから複数の積層チップを作製することができる。
また、圧電活性部１１６のみからなる積層体を形成した後、当該積層体の両側面にサイドマージン部１１７を形成してもよい。

（ステップＳ０３：焼成）
ステップＳ０３では、ステップＳ０２で得られた未焼成の積層チップ１１１を焼結させることにより、積層圧電体１１に対応する積層チップを作製する。本ステップにより得られた積層チップは、分極処理前の積層圧電体１１に相当し、図１〜３に示す積層圧電体１１と同様の構成を有する。

ステップＳ０３における焼成方法は、積層チップ１１１の組成や焼結温度に基づいて決定可能である。例えば、３００〜５００℃で脱バインダ処理を行った後、９００〜１２００℃程度で焼成することができる。また、焼成は、例えば、還元雰囲気下、大気雰囲気下、又は低酸素分圧雰囲気下において行うことができる。

（ステップＳ０４：外部電極形成）
ステップＳ０４では、ステップＳ０３で得られた積層チップに外部電極１４，１５を形成することにより、積層圧電素子１０に対応するセラミック素子を作製する。本ステップにより得られたセラミック素子は、分極処理前の積層圧電素子１０に相当し、図１〜３に示す積層圧電素子１０と同様の構成を有する。

ステップＳ０４では、例えば、焼成後の積層チップのＸ軸方向両端面を覆うように未焼成の電極材料を塗布する。電極材料は、例えば銀（Ａｇ）等を主成分とした導電性ペーストであってもよい。塗布された未焼成の電極材料を、例えば、還元雰囲気下、大気雰囲気下又は低酸素分圧雰囲気下において焼き付けを行うことにより、外部電極１４，１５が形成される。なお、外部電極１４，１５の形成方法は、密着性が良好で内部電極及び表面電極への通電が良好であればよく、スパッタリング法、真空蒸着法等を用いてもよい。

なお、上記のステップＳ０４における処理の一部を、ステップＳ０３の前に行ってもよい。例えば、ステップＳ０３の前に未焼成の積層チップ１１１のＸ軸方向両端面に未焼成の電極材料を塗布してもよい。これにより、ステップＳ０３において、未焼成の積層チップ１１１の焼成と電極材料の焼き付けとを同時に行うことができる。

（ステップＳ０５：分極処理）
ステップＳ０５では、焼成後の積層チップを分極処理して圧電活性を付与する。分極処理には、外部電極１４，１５を用いて積層圧電体１１に電圧を印加してもよいし、その他の給電部材を内部電極１２，１３及び表面電極１６，１７に接続して電圧を印加してもよい。
これにより、積層圧電素子１０が製造される。

なお、ステップＳ０５をステップＳ０４の前に行ってもよい。この場合は、給電部材を内部電極１２，１３及び表面電極１６，１７に接続して電圧を印加する。これによっても、焼成後の積層圧電体１１に対して分極処理を行うことができる。

［内部電極の製造方法］
本実施形態に係る積層圧電素子１０の内部電極１２，１３は、以下のように製造することができる。

例えば、ステップＳ０２の圧着工程において、弾性変形可能なゴムからなるラバーシートを有するプレス装置を用いて一軸加圧することができる。具体的には、プレス装置の上板と下板の双方にラバーシートを取り付け、これらのラバーシートの間にセラミック積層体１０５を配置して、一軸加圧する。ラバーシートは、加圧時に、セラミック積層体１０５の微小な厚みの違い等によって弾性変形する。変形したラバーシートにより圧着されることで、起伏を有する内部電極１１２，１１３を形成することができる。

あるいは、グリーンシート又は内部電極の組成を調整し、焼成時におけるグリーンシートと導電性ペーストとの収縮率の差によって内部電極１２，１３を形成してもよい。あるいは、材料の組成を調整するとともに、圧着時にラバーシートを用いてもよい。

［変形例］
図１０及び図１１は、本実施形態の変形例に係る積層圧電素子３０の構成を示す図である。図１０はＹ軸方向に直交する断面図であり、図２に対応する。図１１はＸ軸方向に直交する断面図であり、図３に対応する。積層圧電素子３０は、積層圧電体１１と、第１外部電極１４と、第２外部電極１５と、複数の第１内部電極３２と、複数の第２内部電極３３と、第１表面電極１６と、第２表面電極１７と、を備え、内部電極３２，３３の構成が積層圧電素子１０とは異なる。以下、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本変形例において、内部電極３２，３３のうち、積層圧電体１１の中央部に配置された中央内部電極４１の電極面には、中央内部電極２１と同様の起伏が形成される。一方で、内部電極３２，３３のうち、主面１１ｅに最も近い位置に配置された周縁内部電極４４は、全体として平坦に形成される。なお、中央内部電極４１及び周縁内部電極４４は、第１内部電極３２及び第２内部電極３３のどちらであってもよい。また、周縁内部電極４４は、内部電極３２，３３のうち主面１１ｆに最も近い位置に配置されたものであってもよい。

図１０に示すように、中央内部電極４１のＹ軸方向から見た断面（すなわちＸ軸方向に平行でＹ軸方向に直交する断面）を第１断面４２とする。また、図１１に示すように、中央内部電極４１のＸ軸方向から見た断面（すなわちＹ軸方向に平行でＸ軸方向に直交する断面）を第２断面４３とする。これらの図に示すように、第１断面４２は、Ｚ軸方向に対して突出又は陥没する複数の起伏を有するが、第２断面４３は、ほぼ平坦に構成される。このことから、中央内部電極４１の電極面にも、Ｙ軸方向に沿った稜線を有しＸ軸方向に進行する波状の起伏が形成されていると言える。

一方、図１０に示すように、周縁内部電極４４のＹ軸方向から見た断面（すなわちＸ軸方向に平行でＹ軸方向に直交する断面）を第３断面４５とし、図１１に示すように、周縁内部電極４４のＸ軸方向から見た断面（すなわちＹ軸方向に平行でＸ軸方向に直交する断面）を第４断面４６とする。これらの図に示すように、第３断面４５及び第４断面４６のいずれも、ほぼ平坦に構成される。このことから、周縁内部電極４４は、全体として平坦に構成されると言える。

中央内部電極４１及び周縁内部電極４４の微視的な形状についてさらに説明する。
図１２及び図１３は、いずれも走査型電子顕微鏡によって縦５０μｍ×横２５０μｍの視野で観察した積層圧電体１１の断面を示す図である。図１２は、図１０の拡大図に相当し、積層圧電体１１のＸ軸方向及びＺ軸方向における中央部のＹ軸方向に直交する断面を示す。図１３も、図１０の拡大図に相当し、積層圧電体１１のＹ軸方向における中央部でかつ主面１１ｅ付近の断面を示す図である。図１２には中央内部電極４１の第１断面４２の一部が示されており、図１３には周縁内部電極４４の第３断面４５の一部が示されている。

図１２に示すように、第１断面４２のＺ軸方向の中央に沿って走行しＸ軸方向に１００μｍ（Ｌ）の長さを有する仮想的な線を、第１走行線４２ａと規定する。また、第１走行線４２ａの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第１基準線４２ｂと規定する。第１断面４２では、第１基準線４２ｂに対して第１走行線４２ａがＺ軸方向に乖離している。第１走行線４２ａの第１基準線４２ｂに対するＺ軸方向に沿った最大乖離寸法Ｔ１'は、例えば２μｍ以上である。

一方で、図１３に示すように、第３断面４５に対しても走行線、基準線を規定する。すなわち、第３断面４５のＺ軸方向の中央に沿って走行しＸ軸方向に１００μｍ（Ｌ）の長さを有する仮想的な線を、第３走行線４５ａと規定する。また、第３走行線４５ａの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第３基準線４５ｂと規定する。同図に示すように、第３断面４５では、第３基準線４５ｂに対して第３走行線４５ａがＺ軸方向にほぼ乖離しておらず、第３走行線４５ａの第３基準線４５ｂに対するＺ軸方向に沿った最大乖離寸法Ｔ３は、約０μｍである。つまり、最大乖離寸法Ｔ１'は最大乖離寸法Ｔ３よりも大きい。

このように、中央部に配置された中央内部電極４１に起伏が形成されていれば、主面１１ｅ，１１ｆ付近の周縁内部電極４４に起伏が形成されていなくてもよい。この構成によっても、図６で説明した実験と同様の実験により、積層圧電体１１の変位量を高めることができることが確認された。

なお、積層圧電体１１の中央部に配置された１又は複数の内部電極３２，３３のみが起伏を有していてもよいし、中央部から主面１１ｅ，１１ｆ付近の内部電極３２，３３に近づくに従い次第に起伏が小さくなるように構成してもよい。

［圧電振動装置］
積層圧電素子１０は、圧電横効果によってＸ軸方向に動作する圧電アクチュエータとして広く利用可能である。積層圧電素子１０の用途の一例として、振動を発生させる圧電振動装置が挙げられる。以下、積層圧電素子１０を用いて構成されたユニモルフ型の圧電振動装置５０について説明する。

図１４は、圧電振動装置５０の断面図である。圧電振動装置５０は、積層圧電素子１０と、振動板５１と、接着層５２と、を備える。振動板５１は、ＸＹ平面に沿って延びる平板として構成され、積層圧電素子１０の第１主面１１ｅに対向して配置されている。接着層５２は、積層圧電素子１０と振動板５１との間に配置されている。

振動板５１は、例えば、金属やガラスなどで形成され、Ｚ軸方向に可撓性を有する。接着層５２は、樹脂材料などによって形成され、積層圧電素子１０と振動板５１とを接合している。接着層５２は、積層圧電素子１０のＺ軸方向下部に密着し、振動板５１のＺ軸方向上面に密着している。

接着層５２は、積層圧電体１１の第１主面１１ｅと振動板５１との間に充填され、積層圧電体１１と振動板５１とを広範囲で接合している。これにより、圧電振動装置５０では、積層圧電素子１０と振動板５１との間における接着層５２を介した高い接合強度が得られる。

圧電振動装置５０では、接着層５２による積層圧電素子１０と振動板５１との接合強度が高いため、積層圧電素子１０を大きく伸縮させた場合であっても、積層圧電素子１０が振動板５１から剥がれにくい。このため、圧電振動装置５０では、振動板５１の大きい振動が維持される。

［電子機器］
図１５Ａ，１５Ｂは、積層圧電素子１０を用いた電子機器６０を模式的に示す図である。図１５Ａは、電子機器６０の平面図である。図１５Ｂは、電子機器６０の図１５ＡのＣ−Ｃ'線に沿った断面図である。電子機器６０は、一般的にスマートフォンと呼ばれる多機能型の携帯通信端末として構成される。

電子機器６０は、積層圧電素子１０と、筐体６１と、パネル６２と、を有する。筐体６１は、ＸＹ平面に沿って矩形に延びる底板６１ａと、底板６１ａの周縁からＺ軸方向上方に延びる枠体６１ｂと、を有し、Ｚ軸方向上方に開放された箱型に形成されている。パネル６２は、ＸＹ平面に沿って矩形に延び、筐体６１をＺ軸方向上方から閉塞している。

筐体６１は、電子機器６０の様々な機能を実現するための回路基板や電子部品などの各構成（不図示）を収容する。パネル６２は、タッチパネルとして構成されている。つまり、パネル６２は、画像を表示する画像表示機能と、ユーザの手指などによる入力操作を検出する入力機能と、を兼ね備えている。

なお、パネル６２は、タッチパネルに限定されず、上記のような構成を有さなくてもよい。例えば、パネル６２は、画像表示機能を有さず、入力機能のみを有するタッチパッドであってもよい。また、パネル６２は、電子機器６０に別途設けられたタッチパネルを保護する保護パネルであってもよい。

積層圧電素子１０は、パネル６２のＺ軸方向下面に接着され、筐体６１内において底板６１ａに対向している。パネル６２のＺ軸方向下面における積層圧電素子１０の位置は任意に決定可能である。電子機器６０では、パネル６２が、図１４に示す圧電振動装置５０における振動板５１の機能を果たす。

つまり、電子機器６０は、積層圧電素子１０のＸ軸方向への伸縮により、パネル６２を振動させることができる。このため、パネル６２は、良好に振動可能なガラスやアクリル樹脂などを主原料とすることが好ましい。また、積層圧電素子１０とパネル６２とを接着する接着層は、圧電振動装置５０の接着層５２と同様の構成であることが好ましい。

電子機器６０は、パネル６２を振動させて、気導や骨伝導などによって音を発生させることによって、ユーザに音声情報を提供することができる。また、電子機器６０は、パネル６２を振動させることによって、例えばパネル６２に対して入力操作を行うユーザに対して、触覚を提示することもできる。

なお、パネル６２のＺ軸方向上面は、典型的には平面であるが、例えば、湾曲面などであってもよい。また、電子機器６０は、スマートフォンに限定されず、例えば、タブレット端末、ノートパソコン、携帯電話、腕時計、フォトスタンド、各種機器のリモコンや操作部などとして構成されていてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、積層圧電素子１０が表面電極１６，１７を有すると説明したが、表面電極を有さなくてもよい。この場合、積層圧電体１１の主面１１ｅ，１１ｆ付近には絶縁性セラミックスで形成されたカバー部が形成される。これにより、圧電積層体のＺ軸方向に関してもカバー部で保護することができる。

１０，３０…積層圧電素子
１１…積層圧電体
１２，１３，３２，３３…内部電極
２１，４１…中央内部電極
２２，４２…第１断面
２３，４３…第２断面
４４…周縁内部電極
４５…第３断面
５０…圧電振動装置
５１…振動板
５２…接着層
６０…電子機器
６１…筐体
６２…パネル

Claims (6)

1. 第１軸方向に対向する一対の主面と、前記第１軸方向に直交し長手方向である第２軸方向に対向する一対の端面と、前記第１軸方向及び前記第２軸方向に直交する第３軸方向に対向する一対の側面とを有する積層圧電体と、
   前記積層圧電体の内部に配置され、前記第１軸方向に積層された複数の内部電極と
   を具備し、
   前記複数の内部電極のうち、前記積層圧電体の中央部に配置された中央内部電極の前記第３軸方向から見た第１断面は、前記中央内部電極の前記第２軸方向から見た第２断面よりも大きな起伏を有する
   積層圧電素子。
2. 請求項１に記載の積層圧電素子であって、
   前記第１断面の前記第１軸方向における中央に沿って走行し前記第２軸方向に１００μｍの長さを有する第１走行線と、前記第１走行線の端点間を結ぶ直線である第１基準線との前記第１軸方向における最大乖離寸法は、前記第２断面の前記第１軸方向における中央に沿って走行し前記第３軸方向に１００μｍの長さを有する第２走行線と、前記第２走行線の端点間を結ぶ直線である第２基準線との前記第１軸方向における最大乖離寸法よりも大きい
   積層圧電素子。
3. 請求項２に記載の積層圧電素子であって、
   前記第１走行線と前記第１基準線との前記最大乖離寸法は、２μｍ以上である
   積層圧電素子。
4. 請求項１から３のうちいずれか一項に記載の積層圧電素子であって、
   前記複数の内部電極のうち、前記積層圧電体の前記一対の主面のうちの一方の主面に最も近い位置に配置された周縁内部電極の前記第３軸方向から見た第３断面よりも、前記第１断面は大きな起伏を有する
   積層圧電素子。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の積層圧電素子と、
   前記積層圧電素子に対して前記第１軸方向に対向する振動板と、
   前記積層圧電素子と前記振動板との間に配置された接着層と、
   を具備する圧電振動装置。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の積層圧電素子と、
   前記積層圧電素子が前記第１軸方向に対向した状態で接着されたパネルと、
   前記パネルを保持する筐体と、
   を具備する電子機器。

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